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L’aéronautique confirme sa prédominance comme secteur vertical des applications de fabrication additive

L’aéronautique confirme sa prédominance comme secteur vertical des applications de fabrication additive

by Gaëtan Lefèvre30 juin 2017
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Selon le rapport 2017 de Wohlers, le secteur de l’aéronautique et du spatial, avec 18,2 %, est le principal segment vertical en matière d’application de fabrication additive métallique et polymère. Il a progressé de 1,6 % en 2016 par rapport au 1% du secteur de l’automobile. Depuis dix ans, il mène le développement de la fabrication additive. Retour sur une alliance fructueuse.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

 

« Le marché de la fabrication additive dans l’industrie aéronautique a subi plusieurs changements radicaux au cours des deux dernières années, dont une croissance continue et soutenue, ainsi que l’adoption des systèmes d’impression 3D métallique. Les évolutions technologiques ont été rapides, principalement sur trois fronts : la vitesse de production, la taille de production et l’automatisation des processus », explique Davide Sher, analyste senior Europe chez SmarTech Markets Publishing et auteur d’un rapport récemment publié sur le secteur. En ce qui concerne la chaîne de valeur globale, le nombre de fournisseurs de systèmes matériels a considérablement augmenté, même si le nombre d’utilisateurs reste faible. La disponibilité et la prise en compte du marché des logiciels, du CAO au PLM . l’infrastructure de l’entreprise, limitent significativement la croissance du marché en termes de production.

Les grandes entreprises, premiers acteurs

GE et sa « brilliant factory »

Depuis l’acquisition par General Electric des solutions de Morris Technologies, la société américaine a développé massivement son utilisation de la fabrication additive. Lors du dernier salon Materialise World Summit, qui s’est tenu à Bruxelles en avril dernier, Mohammad Ehteshami, vice-président et directeur général de GE Additive (une division de GE Aviation), a présenté l’unité qu’il dirige : une équipe de plus de 8 000 ingénieurs pour concevoir, tester et certifier des moteurs d’avions commerciaux et militaires. « General Electric, après l’acquisition d’Arcam et de Concept Laser, vise une usine de 10 000 systèmes de fabrication additive pour 2020 avec un usage interne de 1 000 unités ».

GE Additive appartient au groupe GE. Cette unité prévoit d’offrir une gamme complète de produits, de matériaux et de solutions d’ingénierie à ses clients. Elle est organisée autour d’un échange mondial de connaissances, le « GE Store », par lequel chaque entreprise partage et accède à la même technologie, aux marchés, à la structure et aux données. GE Additive est dirigée par David Joyce, vice-président de GE. En mai 2017, GE Aviation a également annoncé l’ouverture de son centre « brilliant factory » de plus de 3 000 m2 à Muskegon, aux États-Unis, et qui a coûté 14,5 millions de dollars. Il y sera fabriqué des pièces pour le moteur GE90. L’ouverture de ce centre permettra de créer de nouveaux emplois, dont certains seront liés aux activités de fabrication additive.

Objectif de 30 tonnes par mois pour Airbus

Le groupe Airbus est un des leaders mondiaux de l’aéronautique, du spatiale et des services connexes. Il réunit les capacités de trois leaders du marché : Airbus, Airbus Defence and Space et Airbus Helicopters. Il s’étend sur plus de 170 sites à travers le monde. Son marché va bien au-delà des frontières européennes. Le groupe a également investi dans la fabrication additive, métallique et polymère. Cette technologie est, entre autres, utilisée pour la production de milliers de supports, dispositifs de fixation et clips sur des systèmes divers tels que ceux d’Additive Industries, de Concept Laser, de Materialise, de Sciaky, d’EOS, de SLM Solutions, de Stratasys ou encore d’Aerosud.

Récemment, Airbus et Desktop Metal ont signé un accord pour la production de pièces de fuselage et de pylône de moteur pour les avions commerciaux Airbus, imprimées en 3D.

En 2018, Airbus prévoit de franchir plusieurs caps :

  • imprimer environ 30 tonnes de pièces métalliques tous les mois ;
  • utiliser la fabrication additive pour la production des systèmes de contrôle climatique des cabines de passagers pour les avions de ligne A330neo (New Engine Option) et BelugaXL. Avec une nouvelle configuration adaptée aux casiers de rangement, la hausse du stockage fait partie du nouveau concept de cabine « Airspace by Airbus », pour améliorer l’expérience des passagers.

La plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes

Dassault Systèmes est également un acteur clé du marché de la fabrication additive dans le secteur aéronautique. Sa plate-forme 3Dexperience fournit des supports tout au long de la chaîne de valeur aéronautique, proposant « des solutions logicielles, basées sur des logiciels de conception, d’analyse, de simulation et d’intelligence 3D, le tout dans un environnement interactif collaboratif ». Le groupe Airbus a notamment installé, au cours des derniers mois, les applications de conception et de simulation collaborative de Dassault Systèmes pour améliorer la production et les tests des pièces dans le cadre de l’expérience de la solution industrielle « Co-Design to Target ». Ce projet vise l’utilisation de la fabrication additive pour l’outillage, le prototypage et la production de pièces pour les vols d’essai mais aussi pour les avions commerciaux afin d’ « explorer de plus grandes possibilités de conception et de fabrication pour satisfaire aux exigences d’ingénierie et de fabrication pour l’ajout d’outils et de pièces ».

Parallèlement, les deux sociétés – ainsi que l’Administration américaine de développement économique (US Economic Development Administration – EDA) qui a investi 10 millions de dollars dans un campus innovant – s’engagent activement dans le domaine de l’éducation, comme ils l’ont annoncé lors de l’inauguration d’un site dédié aux technologies 3D et . l’innovation aéronautique, à l’université d’État de Wichita au Texas, aux États-Unis. Ces installations nouvellement ouvertes permettront aux équipes d’Airbus Engineering et de Dassault Systèmes d’accéder aux ressources disponibles sur le campus en tant que makerspace, un espace dédié aux usines et autres zones à usage mixte. Trois cents employés et les étudiants du WSU effectueront des travaux de conception sur le prochain avion A350 XWB mais aussi sur d’autres avions commerciaux. Dassault célèbre l’ouverture de son nouveau centre 3DExperience dans le domaine de l’ingénierie expérimentale, réalisant le projet de 2015, lorsque la société avait signé un partenariat avec l’Institut national de recherche aéronautique (NIAR) du WSU. Ce nouveau centre permettra une nouvelle génération de production, y compris les technologies d’impression 3D, de simulation virtuelle et le développement de produits 3D avancés. Dassault Systèmes s’est également associé au fournisseur de solutions de fabrication additive Stratasys, en février dernier, pour améliorer les performances des pièces de production fabriquées en impression 3D, et pour fournir des outils de conception de nouvelle génération qui amélioreront la fonctionnalité, l’efficacité et le rapport pondéral. Les deux sociétés ont collaboré sur les capacités de conception et de simulation de la plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes qui prend en charge les imprimantes 3D et les matériaux FDM de Stratasys. Cette plate-forme permettra l’optimisation de conception pour des pièces plus légères – imprimées en 3D dans un processus de modélisation de dépôt fondu (FDM) – en utilisant moins de matière première qu’une technologie de fabrication traditionnelle pour les mêmes performances, solidité et analyse de la fatigue. La confiance actuelle des industriels de l’aéronautique dans les applications pour les pièces imprimées en 3D par FDM permet de développer des supports et de fournir les outils nécessaires pour supporter la qualification des pièces et la simulation du processus d’impression, offrant ainsi des informations supplémentaires sur les contraintes résiduelles et les performances de la technologie FDM.

Safran Transmission Systems, entité du groupe Safran (SAF EPA), est une multinationale française de haute technologie travaillant dans les domaines de l’aéronautique, du spatial, de la défense et de la sécurité. Elle regroupe plus de 66 500 employés (sécurité incluse) et a généré, en 2016, un chiffre d’affaires de 15,8 milliards d’euros (hors sécurité). Cette société a utilisé la plateforme 3DExperience pour augmenter l’efficacité du programme et réduire le soutien de plusieurs systèmes de logiciels en France et en Pologne. Ce programme s’est notamment inscrit dans une joint-venture avec la société Rolls-Royce, lancée en 2015.

De nouveaux procédés Prodways

Parmi les grands acteurs français, on retrouve la société Prodways, une filiale de Groupe Gorgé. Celle-ci est actuellement cot.e sur le compartiment B d’Euronext Paris (GOE) et sur le marché OTC des États-Unis, sous forme d’American Depositary Receipts (ADR : GGRGY et GGRGF). Elle est présente sur l’ensemble de la chaîne de valeur, avec une conception intégrée de machines, de matériaux et de pièces. Prodways est l’un des principaux fabricants d’imprimantes 3D européens avec 76 machines vendues à la fin de 2016, par la division Systèmes. Elle a enregistré, en 2016, un chiffre d’affaires de 25,2 millions d’euros dont 58 % ont été générés sur les marchés internationaux. Elle offre des systèmes d’impression 3D et des matériaux connexes (résines et poudres) pour une large gamme d’industries, y compris l’aéronautique.

La société Prodways a signé avec le groupe Safran un partenariat de cinq ans concernant le développement de matériaux imprimables et de procédés d’assemblage à base de composés inorganiques, tels que la céramique et les métaux. Ces procédés et matériaux devront être appliqués aux produits de Safran. Parallèlement, Safran Corporate Ventures, en collaboration avec Fimalac et BNPP, a souscrit des obligations de produits Euronext Paris avant la cotation boursière du groupe. Ces trois investisseurs, ainsi que Bpifrance et Financière Arbevel, se sont engagés à souscrire à l’augmentation de capital de Prodways.

De nombreux autres acteurs

Les sociétés Bell Helicopter et Boeing ont été les premiers adoptants de la fabrication additive. Elles ont déjà installé, selon le rapport Wohlers 2017, « plus de 200 pièces uniques sur 16 avions civils et militaires ». Boeing a également signé de nombreux partenariats pour développer des pièces conçues par fabrication additive.

Boeing, les premières pièces de titane certifiées

La machine « Infinite-Build 3D Demonstrator » de Stratasys, dont nous parlons régulièrement dans A3DM Magazine, a été conçue pour répondre aux exigences de l’industrie aéronautique, de l’automobile et d’autres industries grâce à la conception de pièces thermoplastiques légères et de grande taille, avec des propriétés mécaniques reproductibles. Lors du lancement officiel de cette machine, il y a quelques mois, Teri Finchamp, directeur des opérations et de la qualité chez Boeing, indiquait que « Boeing Phantom Works avait contribué au démonstrateur en définissant les exigences et les spécifications de la machine. Elle l’utilise aujourd’hui pour explorer la production de pièces légères et de faible volume. »

Parmi les autres coopérations réussies, nous pouvons citer celle qui concerne le Boeing 787 Dreamliner. Il s’agit du premier avion commercial à voler avec des pièces de titane conçues par fabrication additive, certifiées. La société Norsk Titanium AS avait reçu une commande d’achat de Boeing pour des composants en titane structuré imprimés en 3D. Ces pièces ont été produites avec le procédé breveté de Norsk Rapid Plasma Deposition™ (RPD™). Pour certifier ces composants structurels initiaux du Dreamliner, Boeing et Norsk Titanium ont entrepris, en février 2017, un programme de test rigoureux respectant la certification FAA. Norsk Titanium est le premier fournisseur de la spécification de matériaux de taux de dépôt .levé de Boeing. Les composants Dreamliner RPD™ seront exposés au SIAE, au Bourget, du 19 au 25 juin 2017, sur le stand de Norsk Titanium. La société exposera également une maquette complète de la machine brevetée MERKE IV™ Rapid Plasma Deposition™.

Boeing a également déclaré travailler avec Oxford Performance Materials pour la conception d’environ 600 pièces imprimées en 3D pour ses trois capsules de taxis spatiaux Starliner. Ce projet est réalisé dans le cadre d’un contrat avec la NASA pour un montant de 4,2 milliards de dollars. La fabrication additive permettra la réduction des coûts, notamment grâce à une économie du poids des capsules. Plus d’informations sur ces capsules sont disponibles sur le site www.a3dm-magazine.com.

Bell et ses géométries complexes

Fondée en 1935 sous le nom de Bell Aircraft Corporation, Bell Helicopter Textron est un acteur clé dans l’industrie de l’ascension verticale. À ce jour, Bell Helicopter a fabriqué et vendu plus de 35 000 hélicoptères dans le monde. À son siège social à Fort Worth, au Texas, aux États-Unis, la société a signé un accord avec Harvest Technologies, une entreprise possédant vingt ans d’expérience dans l’industrie de la fabrication additive. Cette dernière possède plus de quarante systèmes, dont beaucoup sont utilisés pour créer des composants et des pièces finies. Bell Helicopter et Harvest Technologies ont convenu de fabriquer du matériel de production en série, certifié, en utilisant la technologie de fabrication additive d’EOS. La grande plateforme de construction EOS permet, entre autres, de fabriquer des composants plus importants en une seule pièce plutôt que des sections. En éliminant ainsi les coûts d’assemblage et en raccourcissant les délais, tout en produisant des surfaces propres et en augmentant la recyclabilité de la poudre plastique, Bell Helicopter montre qu’elle a compris l’intérêt et l’importance de la fabrication additive.

Grâce à la technologie d’EOS, Bell Helicopter est capable de créer des formes complexes telles que des conduits.

Bell Helicopter Textron s’est également associée à Stratasys Direct Manufacturing pour la production par impression 3D de composants personnalisés. L’enjeu est de créer un processus répétitif à un coût plus compétitif que celui de la fabrication conventionnelle. Les pièces identifiées pour la production étaient, par exemple, des composants de canalisation pour des systèmes de contrôle environnemental (ECS), mais aussi des buses de dégagement qui empêchent le pare-brise avant de nuire à la visibilité du pilote. Pour répondre à cette demande, Stratasys Direct Manufacturing a recommandé la technologie de frittage par laser pour construire des composants, permettant la fabrication de composants robustes et à géométrie complexes, à l’aide d’un puissant laser permettant de fondre des nylons en poudre.

Conception des buses de dégagement conçues pour l’hélicoptère 412 de Bell par Stratasys Direct Manufacturing.

Un autre avantage clé de la fabrication additive est de permettre aux ingénieurs d’intégrer des conceptions de composants multiples dans des structures individuelles pour une construction produisant des fonctionnalités internes et externes complexes de manière efficace. Les ingénieurs ont pu concevoir une fonctionnalité maximale dans la buse de dégagement conçue pour l’hélicoptère 412 de Bell. Pour le programme d’hélicoptères 429, Bell a pu réduire le poids globale de 2/3 livres pour chaque livre de poids fritté au laser.

GKN Aerospace et les autres

GKN Aerospace applique une gamme complète de procédés de fabrication additive afin de proposer des produits différenciés et des solutions innovantes dans les domaines aéroportuaires, tout en intervenant sur l’outillage et la réduction des déchets. La société coopère également avec le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), le plus grand laboratoire du département américain de l’énergie (DOE), pour « la réalisation de découvertes scientifiques et de percées technologiques qui accélèreront le développement et le déploiement de solutions dans les énergies propres et la sécurité mondiale tout en créant des opportunités économiques », par exemple pour développer un processus de dépôt de fil laser pour la fabrication de composants structuraux aérospatiaux de titane. Honeywell Aerospace, Northrop Grumman, Space X, Lockheed Martin, la NASA, l’Agence spatiale européenne sont également des entités très actives dans l’utilisation des opportunités de la fabrication additive.

Normes et certifications

Selon une récente étude de prospective du CCR, « les normes sont très importantes car elles fournissent des exigences, des spécifications, des lignes directrices ou des caractéristiques qui peuvent être utilisées de manière cohérente pour s’assurer que les matériaux, les produits, les procédés et les services sont adaptés aux besoins. Elles contribuent à éliminer les obstacles techniques au commerce, conduisant à de nouveaux marchés et à une croissance économique pour l’industrie. Elles facilitent également le transfert de technologie et contribuent à assurer la sécurité des produits, affectant ainsi la vie quotidienne des citoyens ».

En général, les objectifs de la normalisation sont de promouvoir la qualité des produits, des procédés et des services, en définissant les caractéristiques qui les régissent :

  • leur capacité à satisfaire les besoins en promettant l’amélioration de la qualité de vie, de la sécurité, de la santé et de la protection de l’environnement, mais aussi l’utilisation économique des matériaux, de l’énergie et des ressources humaines dans la production et l’échange de biens, ainsi qu’une communication claire et sans ambiguïté entre toutes les parties intéressées, sous une forme appropriée dans des documents juridiques ;
  • promouvoir le commerce international en supprimant les obstacles causés par les différences dans les pratiques nationales et l’efficacité industrielle grâce au contrôle des variétés.

L’utilisation de la technologie de fabrication additive à des fins industrielles devrait donc se concentrer sur une application et une répétabilité cohérentes, afin de garantir un développement répandu de chaque élément de la technologie (en tant que matériaux, équipements et processus). Pour fabriquer des pièces de haute qualité, la technologie doit être qualifiée et certifiée à de maintes reprises afin d’assurer la standardisation des matériaux, des procédés et des produits.

Cependant, le développement des normes en fabrication additive est compliqué en raison de nombreuses permutations de machines, de matériaux, de procédés et de techniques, qui plus est en l’absence d’un dépositaire central des données ou d’une autorité sur les méthodologies de fabrication additive. Un déploiement amélioré des technologies exigera un développement de normes pour faciliter des applications plus rapides et plus rentables de tous les matériaux, processus et produits. Aujourd’hui, les trois principaux organismes de normalisation, dans la fabrication additive, actifs dans le monde entier, sont : l’ASTM (F42), l’ISO (TC261) et le CEN CENELEC (TC 438). Dans le même temps, de nombreux organismes européens de normalisation nationale (NSB) couvrent la fabrication additive, tels que l’AFNOR en France avec le comité UNM 920 Fabrication additive, le VDI en Allemagne avec GPL Committee on Production and Logistics, l’AENOR en Espagne avec le comité AEN / CTN 116, le SIS en Suède avec le comité SIS / TK 563 et le BSI au Royaume-Uni avec le comité AMT / 8. Les trois organismes de normalisation – . la différence des autres secteurs où la concurrence et la différenciation sont plus féroces – travaillent en coordination pour atteindre l’objectif partagé d’adopter un ensemble de normes à utiliser au niveau internationale. En pratique, l’ASTM F42 a conclu un accord de coopération signé avec l’ISO TC 261 sur l’adoption commune des normes et le CEN TC438 évalue les normes existantes du niveau ISO pouvant être adoptées.

Spécialement préoccupé par les normes liées à l’aviation, le CEN TC 438 a établi des liens avec l’ASD-STAN, l’organisme européen de normalisation pour l’aéronautique. Un autre accord a également été signé avec l’ISO TC 44 / SC 14 (sur le soudage et le brasage dans l’aéronautique) pour élaborer conjointement des normes dans le secteur

Matériaux pour l’aéronautique

En ce qui concerne l’innovation des matériaux, l’industrie aéronautique est à la pointe du développement dans le secteur de la fabrication additive. Cette industrie nécessite de fabriquer des pièces complexes dans de faibles volumes en utilisant des matériaux performants, tout en cherchant constamment de nouvelles façons de réduire les coûts. Alors que la fabrication additive peut coûter plus cher que les méthodes d’usinage traditionnelles, elle offre des économies sur les matériaux, ce qui peut être important lors de l’utilisation de métaux précieux comme le titane. Kamran Mumtaz, conférencier en fabrication additive au centre « Advanced Additive Manufacturing » de l’université de Sheffield, en Grande-Bretagne, a indiqué qu’ « il y a eu récemment un véritable changement tectonique dans la mesure où les grandes entreprises aéronautiques ont investi dans la fabrication d’additive ».

Matériaux améliorés

Selon un webinaire récent organisé par Scott Dunham, le vice-président de la recherche chez SmarTech Markets Publishing, le titane, le nickel, le cobalt-chrome, l’aluminium et le cuivre sont les principaux métaux utilisés dans l’industrie avec une forte perspective de développement et une augmentation moyenne prévue dans les dix prochaines années de plus de 35 %. Les matériaux légers montrent les prévisions de développement les plus intéressantes, principalement dans les secteurs de la médecine, de l’aéronautique et de l’automobile. Les polymères, ou les plastiques, restent cependant les matériaux les plus matures et les plus populaires en raison de leur performance en fabrication additive. Aujourd’hui, l’aluminium, le nickel, l’acier inoxydable et le cobaltchrome permettent toutefois de très nombreuses réalisations, avec peu de contraintes de forme.

L’arrivée de nouveaux matériaux sur le marché nécessite un processus de qualification qui prend plusieurs années. Les recherches continuent quand même. Les chercheurs du laboratoire national Oak Ridge, dans le Tennessee, aux États-Unis, étudient les stocks d’aliments, la taille optimale des particules et la recyclabilité de la poudre. Le laboratoire a récemment fabriqué le plus grand composant imprimé en 3D, qui n’était pas une partie plane, mais un outil de coupe pour former la section d’aile élargie du nouveau Boeing 777X. Traditionnellement en métal, l’outil réalisé par fabrication additive est composé d’un composite de polymères à fibre de carbone haché et de matériaux pouvant supporter de fortes pressions et des températures aussi élevées que 176 °C. La fabrication additive permet de modifier les microstructures lorsque les matériaux sont traités, ce qui peut affecter leur force et leur flexibilité.

Retrouvez le premier dossier sur l’aéronautique ici.

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Gaëtan Lefèvre

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